CC BY
184
УДК 539.23
влияние режимов микродугового оксидирования на образование оксидированного слоя
Хохлов Алексей Леонидович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Технологического института - филиала Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии им. П.А. Столыпина.
Уханов Денис Александрович*, доктор технических наук, профессор кафедры «Тракторы, автомобили и теплоэнергетика»
ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»* Глущенко Андрей Анатольевич**, кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»
Марьин Дмитрий Михайлович**, аспирант кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»
Степанов Биктор Александрович**, аспирант кафедры «Эксплуатация мобильных машин и технологического оборудования»
ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина»** 432017, Ульяновск, бульвар Новый Венец 1; тел.: 89279843479; e-mail: chochlov.73@mail.ru
Ключевые слова: оксидированный слой, напряжение, плотность тока, электролит, поршень.
В статье установлена взаимосвязь режимов оксидирования со свойствами получаемых методом микродугового оксидирования покрытий на днище поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Исследована зависимость толщины оксидированного слоя от напряжения, подаваемого на электроды, и плотности тока. Выполнен анализ структуры и элементного состава оксидированного слоя на днище поршня ДВС методом растровой электронной микроскопии с рентгеновским микроанализом. Результаты исследований показали, что при напряжении 250 В и плотности тока 0,3... 0,4 А/мм2 в течение 30 минут происходит формирование оксидированного слоя толщиной 7.9 мкм.
Введение. Поршень двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является одной из самых напряженных деталей. В процессе эксплуатации поршни подвергаются воздействию высоких температур и давления газов, возникающих при сгорании топлива. Одним из методов повышения ресурса и работоспособности поршня является теплоизоляция днища поршня методом микродугового оксидирования (МДО) [1, 2].
В основе МДО лежит процесс анодного окисления (анодирования) металлов, при котором основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на теплопроводность и толщину оксидированного слоя, следующие: Х1 - соотношение катодной и анодной токовых составляющих (1к/1а), Х2 - плотность тока (/', А/мм2), Х3 - концентрация электролита (г/л), Х4 -продолжительность оксидирования (£, мин.).
Целью настоящей работы является изучение влияния режимов МДО на образование оксидированного слоя на днище поршня ДВС.
Материалы и методы исследований.
На толщину оксидированного слоя оказывают влияние как внешние (компонентный состав, концентрация и температура электролита; а также режим МДО: полярность, частота, амплитуда и форма импульсов напряжения и тока, их соотношение; время обработки и т.д.), так и внутренние факторы (состав сплава, его термообработка, шероховатость, пористость оксидируемого материала и т.д.) [3].
Образование оксидированного слоя одновременно отражает два протекающих процесса: электрохимическое образование слоя и его химическое растворение. При
и
SS ESS »1
Si
р о ш IS Hi ■ i
00 и
этом рост слоя возможен только в таких электролитах, где скорость его растворения ниже, чем скорость образования. К таким электролитам относят растворы хромовой, серной, ортофосфорной кислот и др.
В таких электролитах толщина оксидированного слоя, мкм, будет пропорциональна формирующему напряжению [3]
h = m6c-U,
(1)
где тбс - эффективность роста барьерного слоя при постоянной плотности ионного тока, мкм/В; и - падение напряжения на плёнке, В [4].
На основании ранее проведенных исследований [5] было установлено, что параметры оксидированного слоя на алюминии могут быть определены путем расчета, исходя из фиксированных режимов анодирования в электролитах, представляющих собой порообразующий раствор [4], в котором формируется сплошная (непористая) пленка, так называемый «оксид барьерного типа» - барьерный слой. При этом его толщина d, мкм, пропорциональна напряжению тока (напряжение формирования иф) по закону [5, 6]:
§=а-иФ, (3)
где а - константа роста оксида (для алюминия а = 1,4 мкм/В); иф - напряжение формирования оксидированного слоя, В.
Так как электрохимические процессы при оксидировании протекают в соответствии с законами Фарадея, то количество электричества О, Кл, [5, 6]:
Q = JI ■ dt
0
t
I = J idS, « - i
(4)
где • - сила тока, проходящего через ячейку в процессе оксидирования, А; ¡. - плотность тока, А/ мм2; 5 - площадь
V 2 Л.
ячейки, через которую проходит ток, мм2; t - время действия тока, с.
Учитывая, что толщина оксидированного слоя связана с напряжением соотношением (3), то скорость формирования оксидированного слоя на поверхности днища
поршня dd/dt (рис. 1), а следовательно, и скорость роста напряжения dUф/dt будут пропорциональны силе тока, проходящего через ячейку оксидированного слоя.
Поскольку особенностью микродугового оксидирования является образование оксидированного слоя барьерного типа, то скорость роста слоя может быть представлена как:
= /(',)
(5)
dt
Из выражения (5) следует, что зависимость скорости роста слоя от напряжения линейна в широком интервале значений плотностей тока [6].
Таким образом, наибольшее влияние на толщину оксидированного слоя оказывают напряжение и плотность тока. Для установления этой зависимости проводили исследования процесса оксидирования днищ поршней в водном растворе ортофосфорной кислоты (НзРО4) с концентрацией 180 г/л при изменении напряжения оксидирования от 160 В до 280 В с шагом 10 В, а плотности тока - от 0 А/мм2 до 9 А/мм2.
Результаты исследований представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1 - Зависимость толщины оксидированного слоя б от напряжения и, подаваемого на электроды, и плотности тока i
200 220 240 Напряжение U,B
Рис. 2 - Двухмерное сечение, характеризующее толщину оксидированного слоя б от взаимодействия напряженияи, подаваемого на электроды и плотности тока i
Electron Image 1
Рис. 3 - Микрофотография поверхности излома образца с выделенными участками оксидированного слоя и днища поршня
Исследования зависимости толщины оксидированного слоя от напряжения, подаваемого на электроды, и плотности тока, показали, что при напряжении 250 В наилучший рост пленки оксидов проходит при плотности тока 0,3...0,4 А/мм2.
Учитывая полученные данные, экспериментальные поршни оксидировали в
II
SEIS ESS »1
Si
р Ü ш IS Hi M ■ i
00 s!
Рис. 4 - Микрофотография поверхности излома оксидированного слоя
течение 30 минут при напряжении 250 В и плотности тока 0,4 А/мм2.
Для определения толщины полученного оксидированного слоя анализировали его структуру и элементный состав методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с рентгеновским микроанализом. Микрофотография поверхности излома образца представлена на рис. 3.
Исследование выделенных областей показало, что толщина оксидированного слоя в них составляет 8 мкм (рис. 4).
Результаты исследований элементного состава в атомных концентрациях, нормализованных к 100% с учётом всех зарегистрированных элементов, показали, что основными элементами оксидированного слоя днища поршня являются кремний и алюминий. В оксидированном слое содержались незначительные примеси магния, железа, меди. Толщина оксидированного слоя составила 7...9 мкм на всей протяженности излома образца. Содержание кислорода в оксидированном слое днища поршня исследуемого образца составило 13,82 единиц. В днище оксидированного поршня содержание кислорода увеличилось до 2,6 единиц против 1,04 у типового поршня.
Выводы. Таким образом, для получения на днище поршня оксидированного слоя толщиной 7.9 мкм оптимален следующий режим микродугового оксидирования: напряжение 250 В, плотность тока 0,3.0,4 А/мм2 и время оксидирования 30 минут.
Библиографический список
1. Марьин, Д.М. Микродуговое оксидирование как способ снижения теплона-пряженности поршней /Д.М. Марьин, А.Л. Хохлов, Д.А. Уханов, В.А. Степанов // Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники: материалы 25-ого Международного научно-технического семинара им. Михайлова В.В. - Саратов: СГАУ. 2012. - С. 154 - 156.
2. Марьин, Д.М. Результаты исследований теплопроводности поршня с оксидированным днищем / Д.М. Марьин, А.Л. Хохлов // Аграрная наука и образование на современном этапе развития: Опыт, проблемы и пути их решения: Материалы IV Международной научно-практической конференции: - Ульяновск. УГСХА. 2012 .- С. 100-104.
3. Суминов, И.В. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд, В.Б. Людин, Б.Л. Крит, А.М. Борисов. - М.: ЭКОМЕТ, 2005. - 368 с.
4. Степанов, В.А. Микродуговое оксидирование поверхности деталей из алюминиевых сплавов. / В.А. Степанов, А.Л. Хохлов, К.У. Сафаров // Материалы II-й Открытой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. Ч. 2.: Молодежь и наука XXI века - Ульяновск: УГСХА, 2007 - С. 45 -48.
5. Чернышев В.В. Исследование пористых покрытий методом синхронного ос-циллографирования / В.В. Чернышев, Г.И. Галкин // Физика и химия конденсируемых сред: межвуз. сб. научн. тр. - Воронеж, 1981. - С. 23 - 25.
6. Чернышев, В.В. Влияние аниона электролита на формирование нанострук-турированного анодного оксида алюминия / В.В. Чернышев, А.В. Чернышев, А.Е. Грид-нев, С.В. Зайцев // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. - 2009. № 2. - С. 13 - 15.
